中心議題：

• 優(yōu)化無(wú)線(xiàn)基站中功率放大器的性能與效率

解決方案：

• 振幅因數降低(CFR)技術(shù)
• 數字預失真(DPD)技術(shù)
• 線(xiàn)性化功率放大器性能

隨著(zhù)需要在有限的無(wú)線(xiàn)頻譜上承載日益增加的數據流量，無(wú)論是用戶(hù)還是數字內容的快速增長(cháng)都為無(wú)線(xiàn)基礎局端承受著(zhù)巨大的壓力。滿(mǎn)足上述需求將產(chǎn)生高能耗，進(jìn)而導致基站系統的購置成本及其運行費用攀升。將無(wú)線(xiàn)信號從基站發(fā)射出去的基站功率放大器(PA)占基站成本的比例高達30%。在無(wú)線(xiàn)信號到達基站PA之前實(shí)施振幅因數降低(CFR)與數字預失真(DPD)技術(shù)可提高基站信號的質(zhì)量并擴大覆蓋范圍，同時(shí)還能降低系統的購置與運行成本。

提高頻譜效率的緊迫性

近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)用戶(hù)的數量大幅度增長(cháng)。同時(shí)，諸如音樂(lè )下載與通過(guò)手機實(shí)現因特網(wǎng)接入等新業(yè)務(wù)的出現，使得無(wú)線(xiàn)基礎局端的數據傳輸量越來(lái)越大。與此同時(shí)，分配給無(wú)線(xiàn)通信的頻譜卻保持不變。因此，用戶(hù)與流量的不斷增加導致無(wú)線(xiàn)頻譜變得異常擁堵。

這類(lèi)似于在交通高峰時(shí)段公路發(fā)生擁堵的狀況。假設頻譜是高速公路，數據（語(yǔ)音呼叫、音樂(lè )或因特網(wǎng)內容）是車(chē)輛。高速公路的寬度或車(chē)道數代表固定可用的無(wú)線(xiàn)頻譜數量。增加無(wú)線(xiàn)數據高速公路的車(chē)道是一項巨大的工程，正如增加現實(shí)世界中高速路的車(chē)道數一樣，需要涉及采購、建筑物拆遷以及車(chē)道的建筑工程。

在高速公路上，所有車(chē)輛正駛向各自的目的地，而且駕駛員都希望準時(shí)到達。每輛車(chē)都代表語(yǔ)音呼叫或音樂(lè )下載的一部份，眾多車(chē)輛都準時(shí)到達代表完成下載或呼叫。越來(lái)越多的用戶(hù)使用無(wú)線(xiàn)設備訪(fǎng)問(wèn)數字內容，就像高速公路上的車(chē)輛越來(lái)越多一樣。當高速路上的車(chē)輛過(guò)多時(shí)，交通速度開(kāi)始下降。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的情況也與此類(lèi)似。

為了解決這一問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)提供商轉而采用了可提高頻譜效率的無(wú)線(xiàn)標準。這類(lèi)似于將多輛駛往同一目的地的轎車(chē)碼放在一輛卡車(chē)上，并將卡車(chē)沿著(zhù)高速公路開(kāi)往目的地。這種方法使相同的高速公路上可以實(shí)現更多的數據傳輸流量，而不會(huì )導致流量降低。為了提高頻譜效率，我們可部署或定義所有的無(wú)線(xiàn)標準，其中包括CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA、MC-GSM、WiMAX以及LTE等。圖1顯示了近年來(lái)用于提高頻譜效率所部署或定義的無(wú)線(xiàn)標準。

保持服務(wù)質(zhì)量

采用最新的無(wú)線(xiàn)標準，可通過(guò)固定頻譜傳輸更多的數據，但新標準也有弱點(diǎn)，它們對基站PA失真非常敏感。失真會(huì )導致信號質(zhì)量下降，而且還會(huì )減少數據流量。為了解決這一問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)提供商必須降低PA的傳輸功率或購買(mǎi)大得多的PA來(lái)覆蓋同一個(gè)區域。顯然，無(wú)線(xiàn)提供商必須保持廣泛的覆蓋范圍，因此他們需要購買(mǎi)更大、更昂貴的PA。而這些較大型PA會(huì )消耗大量電能，從而導致運營(yíng)成本相應上升。

向具有極高頻譜效率的無(wú)線(xiàn)標準的過(guò)渡大幅增加了無(wú)線(xiàn)服務(wù)的部署與運行成本。如果提供商想要在降低成本的同時(shí)提高質(zhì)量，就必須解決這一問(wèn)題。德州儀器(TI)開(kāi)發(fā)的解決方案將自適應數字預失真(DPD)與振幅因數降低(CFR)進(jìn)行了完美結合，從而使上述問(wèn)題迎刃而解。
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雖然諸如RF前饋、RF反饋、FR/IF預失真以及后失真等老式技術(shù)提高了PA性能并減少了失真，但自適應DPD方案是業(yè)經(jīng)驗證最具靈活性的超低成本方案。針對所有現行無(wú)線(xiàn)標準以及最普遍PA技術(shù)（包括A/B類(lèi)、Doherty，甚至新出現的包絡(luò )追蹤PA架構等）而言，TIDPD/CFR解決方案都能增強PA性能。圖2將DPD與其它解決方案進(jìn)行了比較。

表面失真(Creepingdistortion)

DPD與CFR是兩種信號處理技術(shù)，不僅可感測輸入與輸出信號的特征，而且還能防止出現失真潛入PA無(wú)線(xiàn)輸出信號的機制。這使PA輸出性能能在其更廣泛的工作范圍內實(shí)現幾乎完全的線(xiàn)性化。無(wú)需減少對PA的輸出功率就可避免其運行范圍上端出現失真，從而使PA更加節能，進(jìn)而降低基站的制冷需求與運行成本。

從圖3可以了解PA的工作原理。如藍線(xiàn)所示，理想的PA具有線(xiàn)性或一對一響應。比如，如果提高10%的輸入功率，那么輸出功率也將相應提高10%。而現實(shí)世界中PA的性能如黑色曲線(xiàn)所示，PA性能在輸出功率處于極低水平的情況下與理想的PA一致，而在較高的輸出功率水平下則會(huì )下降至理想PA之下。例如，如果將現實(shí)世界中PA的輸入功率提高10%，其輸出功率僅會(huì )提高9%。因此，即使在輸入功率不斷提高的情況下，PA的輸出功率也將停止上升。

要理解CFR與DPD對當前及未來(lái)無(wú)線(xiàn)基礎局端的重要性，就必須了解PA的三大基本特性。首先，輸出功率決定無(wú)線(xiàn)信號的范圍。較大的輸出功率將實(shí)現更廣泛的基站覆蓋范圍。第二，PA的功率效率隨輸出功率的增加而相應提高，并在臨近其飽和水平時(shí)達到最高值。從上述兩個(gè)特性可以看出，基站以最高功率運行的情況下覆蓋范圍最廣而且功耗也最低。

過(guò)去的無(wú)線(xiàn)標準使服務(wù)提供商在接近最大輸出功率下才運行基站，從而實(shí)現最低的資本成本（覆蓋同一區域所需的基站更少），而且運行成本也最低（電力成本更低）。但隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)用戶(hù)數量的爆炸式增長(cháng)以及通過(guò)基礎局端傳輸的數據量大幅增長(cháng)，這一狀況發(fā)生了改變，原因是還有PA第三個(gè)特性的存在：失真隨著(zhù)輸出功率的增加而相應增加，而當PA開(kāi)始與理想（線(xiàn)性）曲線(xiàn)背離時(shí)，失真變得異常突出。

這第三種特性非常重要，因為現行無(wú)線(xiàn)標準對失真非常敏感，這意味著(zhù)必須在飽和電平以下運行基站PA才可確保信號質(zhì)量。處于飽和電平以下時(shí)，更多的輸入能量會(huì )作為熱能消耗掉了，而非消耗在輸出信號的傳輸過(guò)程中。

這好比擁有一輛引擎強勁的汽車(chē)，卻不能實(shí)現理想的速度。由于大引擎的燃氣里程低，車(chē)主需要花費很多燃氣錢(qián)，還不能充分發(fā)揮該引擎的功率。理想狀態(tài)下，如果引擎的燃氣效率高，車(chē)主可在充分享受汽車(chē)功率的同時(shí)，節省燃氣費用。同樣，在理想狀態(tài)下，PA在接近其飽和電平的狀態(tài)下運行，就能輸出強信號，同時(shí)還具有極低的信號失真。此外，在接近飽和電平下運行可還節約能源。這也正是DPD與CFR對PA的價(jià)值所在。他們可提高PA輸出功率的線(xiàn)性度，從而降低能耗。
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線(xiàn)性化功率放大器性能

自適應DPD可以擴展寬頻帶射頻(RF)PA的直線(xiàn)性能(straight-line performance)，而且遠遠超過(guò)正常擴展范圍。如前所述，當輸出功率增加時(shí)，輸出功率與理想線(xiàn)性性能曲線(xiàn)發(fā)生偏離。這正是PA放大輸出信號出現失真的地方，從而導致信號質(zhì)量下降及干擾。DPD可將PA失真輸出信號與非失真輸入信號進(jìn)行比較。然后，將輸出信號中一個(gè)與失真正好對立的信號添加至輸入，從而有效消除失真。由于DPD可擴展PA的線(xiàn)性范圍，因此將其稱(chēng)為線(xiàn)性化技術(shù)（如圖4）。

將輸出與輸入信號進(jìn)行比較的過(guò)程叫做反饋，以數字化形式實(shí)施效率最高。由于溫度等工作條件可能發(fā)生變化，數字反饋將提供根據變化的條件調整預失真所需的信息。數字預失真與反饋實(shí)施與模擬實(shí)施相比，其穩健性、靈活性以及可制造性都要高得多。DPD可將PA線(xiàn)性性能擴展2或3分貝(dB)，這對于PA的工作范圍來(lái)說(shuō)是一個(gè)顯著(zhù)的擴展。

通過(guò)在較大的工作范圍內實(shí)現PA輸出性性能的線(xiàn)性化，成本較低的低速率PA仍可以滿(mǎn)足系統的性能要求。此外，具有更高線(xiàn)性性能曲線(xiàn)的PA也更節能。由于能量轉化成熱能消耗的減少以及制冷要求的降低，這不僅將降低耗電成本，而且系統的購置成本也會(huì )相應減少。

CFR是另外一種數字預失真技術(shù)，其可通過(guò)減少峰值至平均值比率(PAR)增加PA的工作輸出功率。若要理解CFR的工作原理，請參考圖3和上文所述的將轎車(chē)碼放在卡車(chē)上以增加無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的數據量或流量的例子。如圖3所示，如果輸入功率提高到足夠大，輸出功率達到飽和，PA將不會(huì )導致輸出功率的增加。這好比一輛卡車(chē)必須通過(guò)一個(gè)隧道。如果碼放在卡車(chē)上的轎車(chē)過(guò)多，碼放高度超過(guò)了隧道口的高度，頂部的轎車(chē)將被留在高速公路上，從而導致交通速度降低。況且，當卡車(chē)到達目的地時(shí)，已經(jīng)丟失了好幾輛轎車(chē)。丟失的轎車(chē)代表電話(huà)呼叫中丟失的數據。

我們繼續采用這個(gè)比喻進(jìn)行說(shuō)明。CFR算法可分析每輛卡車(chē)的高度，以判斷是否可以通過(guò)隧道。如果有必要，其會(huì )將每輛轎車(chē)縮小一點(diǎn)，以便卡車(chē)能通過(guò)隧道，并使所有轎車(chē)都能到達目的地。CFR能夠自動(dòng)降低信號峰值，并使信號通過(guò)PA而不會(huì )發(fā)生剪切或失真。